深部开采梯形棚支护棚腿底部合理约束的确定.pdf

第 3 5卷 第 2期 2 0 1 0年 4月 广西大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f G u a n g x i Un i v e r s i t y Na t S c i Ed V01 ． 3 5 No ． 2 Ar p． 201 0 文章编号 1 0 0 1 - 7 4 4 5 2 0 1 0 0 2 - 0 1 9 9 -0 5 深部开采梯形棚支护棚腿底部 合理 约束 的确定 吴德义， 王爱兰， 杨蔡君 安徽建筑工业学院 土木工程学院， 安徽 合肥 2 3 0 0 2 2 摘要 为了充分发挥围岩 自承载力和梯形棚支架支撑作用 ， 针对新集三矿普通梯形棚支护工程实际， 分析了围 岩表面容许位移量以及支架极限承载力， 确定了棚腿底部合理水平支撑抗力系数和垂直支撑抗力系数及其 合理约束。结果表明， 煤和泥岩围岩表面容许位移可取 2 0 0 mm， 泥质砂岩和砂质泥岩围岩表面容许位移可取 1 0 0 mm， 1 2 矿用工字钢水平极限承载力和垂直极限承载力分别为 4 0 k N ／ m和6 5 k N， 合理水平支撑抗力系数 m 2 ． 01 0 k N ／ m ， 垂直抗力系数为 K。 1 ． 8 MP a ／ m， 混凝土垫块合理尺寸 a6 0 0 m m， b4 5 0 m m， h 2 0 0 mm， t 1 0 0 m m， t 1 0 0 mm， 应 用于工程实际 ， 取得 了较好 的工程实际效果 。 关键词 围岩表面容许位移； 支架极限承载力； 棚腿底部合理约束； 垫块合理尺寸 中图分类号 T U 4 5 文献标识码 A De t e r mi na t i o n o f a r e a s o na bl e b o t t o m c o n s t r a i n t o f l a d de r s he l f l e g s i n de e p m i n i n g WU D e y i ， WA N G A i l a n， Y A N G C a i - j u n D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，A n h u i U n i v e rsi ty o f A r c h i t e c t u r e， H e f e i 2 3 0 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e f u l l u s e o f s he l f a n d r o c k s u p p o r t s，b a s e d o n t h e l a d d e r s h e l f s u p p o rts i n X i n j i mi n e ， t h e a l l o w e d v a l u e o f s u r f a c e d e f o r ma t i o n t o m a i n t a i n s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i t y a n d t h e u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y o f l a dd e r s h e l f we r e a n a l y z e d，a n d t h e r e a s o n a b l e h o riz o n t a l a n d v e i c a l r e s i s t a n c e c o e ffic i e n t s o f s h e l f l e g b o t t o m we r e d e t e r mi n e d ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e a l l o w e d v al u e s o f s u r f a c e d e f o rm a t i o n w e r e 2 0 0 mm w i t h c o a l a n d mu d s t o n e a n d 1 0 0 mm w i t h s h a l e s a n d s t o n e a nd s i h mu d s t 0 n et h e r e a s o n a b l e h o r i z o nt a l a n d v e r t i c a l r e s i s t a n c e c o e f hC i e n t we r e 2． 0 1 0 kN／m a n d 1 ． 8 MP a ／I n t h e h o r i z o n t a l a n d v e rt i c a l u l t i ma t e b e a tin g c a p a c i t y w e r e 4 0 k N／ m a n d 6 5 k N w i t h 1 2 l a d d e r s h e ff； t h e r a t i o n al d i me n s i o n s o f s h e l fp a d w e r e a6 0 0 mm ， b4 5 0 mm，h 1 2 0 0 mm， t 1 1 0 0 m m， t 21 0 0 m m．T h e f i n d i n g s h a d b e e n a p p l i e d t o p r a c t i c a l p r o j e c t s a n d g o o d p e r f o rm a n c e wa s o b s e r v e d ． Ke y wo r dsa l l o wa b l e d e f o rm a t i o n o f r o c k s u r f a c e；u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f s h e ff；r e a s o n a b l e c o ns t r a i n t a t t he b o t t o m o f s h e l f l e g s ；r e a s o n a b l e s i z e s o f pa d 新集三矿 一 5 5 0 m水平皮带运输巷担负着三水平开采的运输、 通风等任务， 施工过程中预计揭露 1 1 2 、 1 31 煤层以及 1 1 2煤 、 1 31 煤层顶底板 ， 两帮主要表现为泥岩及煤 ， 顶板主要表现为泥质砂 收稿 日期 2 0 1 0 -01 ． 3 0 ； 修订 日期 2 0 1 0 -0 3 ． 1 0 基金项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 4 0 0 1 ； 安徽省科技攻关计划重大科技专项资助项 目 0 8 0 1 0 3 0 2 0 6 1 通讯联系人 吴德义 1 9 6 6 一 ， 男， 安徽贵池人， 安徽建筑工业学院教授， 博士 后 E m a i l w u d e y i 1 3 6 1 6 3 ． c o n。 广西大学学报 自然科学版 第 3 5卷 岩及砂质泥岩 。巷道断面为梯形 ， 2 1 0 0 mm 上宽 2 4 0 0 m m 下宽2 4 0 0 ram 高 ， 采用 1 2 矿用 工字钢支护 ， 棚距为 5 0 0 mm。工程实践表明， 大部分地段巷道两帮及顶底板产生显著位移 ， 棚腿下沉和 内移 ， 巷道断面 日趋减小 ， 不能满足正常使用 ， 不得不进行翻修； 究其原因， 是 由于棚腿底部岩石松软 ， 提 供的水平抗力系数和垂直抗力抗力系数不足以使梯形棚承载力得到充分发挥 ， 棚腿底部不实成为制约 支护效果的瓶颈。在棚腿底部设置垫块可以有效地增加棚腿底部约束⋯， 文献[ 2 -3 ] 较为详细地分析 了多功能垫块设计方法 ， 但仅考虑垫块强度要求 ， 以垫块不发生破坏为准则。深部开采软岩巷道支护 ， 必须利用围岩一支架相互作用 ， 充分利用围岩本身 自承载力和支架支撑力， 合理梯形棚棚腿底部约束应 允许围岩产生位移但不能超过容许值， 围岩表面位移达到容许值的同时支架受载也达到极限承载力， 既 不能超载， 也不能欠载H J 。本文在分析该巷道围岩表面容许位移量和梯形棚支架棚腿极限承载力基础 上， 合理设计棚腿底部垫块使围岩表面位移达到容许值的同时， 梯形棚受荷达到极限承载。该设计应用 于工程实际 ， 取得了很好效果。 1 围岩表面容许变形值 的确定 稳定围岩表面位移随时间变化主要呈现一次蠕变和二次蠕变二种典型形式 。为充分发挥围岩 自承 载力 ， 应允许围岩产生二次蠕变。围岩二次蠕变过程分为两个阶段 ， 可示为 J { u t A I 1 - e -B“ ,u t B2t。- tO t ， ㈩ 【 u 0 2 [ 1 一 e ] ， ≥￡ 0 ， 、 式中A 为围岩表面初次蠕变稳定值 m m ； B ， 为与围岩表面位移速度衰减程度有关的系数 d ； A 为 反映围岩二次蠕变的稳定值 m m ； 日 为反映围岩表面二次蠕变随时间增长快慢 的系数 d 。 围岩表面破裂程度和支架受荷随时间变化有关 ， 如果支架受荷随时间增长趋于稳定 ， 则围岩表面未 产生严重破裂， 围岩稳定 ； 如果支架受荷随时间呈波动变化趋势 ， 围岩表面破裂较为严重 ， 围岩不稳定。 新集三矿 一 5 5 0 i n水平运输巷工程的实测结果表 明， 围岩表面位移 随时间变化和压力枕测得 的支架受 荷随时间变化有对应关系。如图 1 ， B 0 ． 0 5 ， 此时支架受荷随时间的变化如 图 2所示 ， 支架受荷趋于 稳定 ， 围岩稳定 ， 结合其他工程实测结果表明， 当围岩位移呈一次蠕变或围岩产生二次蠕变但系数 ≥ 0 ． 0 4时， 围岩稳定； 如图3所示， B 0 ． 0 3时支架受荷随时间的变化如图4 所示， 支架受荷产生波动， 围岩不稳定， 结合其他工程实测结果表 明， 反映围岩二次蠕变程度的系数 B 0 ． 0 4时， 支架受荷产生波 动 ， 围岩不稳定。实测不同地段 围岩位移随时间的变化， 可以得出 当围岩二次蠕变系数 B 0 ． 4即围 岩稳定时， 煤和泥岩 围岩表 面容许位移可取 2 0 0 m m， 泥质砂 岩和砂质泥岩 围岩表面容许位移 可取 1 0 0 mm 。 t ／ d 图 1 围岩表 面位移随时间的变化 F i g ． 1 S u r f a c e d e f o r ma t i o n o f s u r r o u n d i n g r o c k wi t h t i me 0 2 5 O ． 2 O 0 ． 1 5 羔 娃 0 ．1 0 0 ．O5 0．O 0 O 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 t ／ d 图 2 支架受荷 随时 间的变化 F i g ． 2 S h e ff s u p p o r t f o r c e wi t h t i me 第2期 吴德义等 深部开采梯形棚支护棚腿底部合理约束的确定 2 0 1 t| d 图 3围岩 表面位移 随时间的变化 F i g ． 3 S u r f a c e d e f o r ma t i o n o f s u r r o u n d i n g r o c k wi t h t i me 2 梯形棚腿容许承载力分析 一 叟 ＼ 柱 稿 O_ 3 5 O-3 O O ． 2 5 0 ． 2 O 0 ． 1 5 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 t | d 图 4 支架受荷 随时 间的变化 Fi g ． 4 S h e l f s u p p o r t f o r c e wi t h t i m e 梯形棚腿主要承受两帮围岩侧压 q 。 以及棚梁“ 牙 口” 和底板对其作用力 Ⅳ。 和 Ⅳ2 的作用 。 2 ． 1 棚腿水平极 限承载力分析 棚腿水平极限承载力 由梁截面最大容许应力以及棚梁保持压杆稳定的临界荷载确定 。棚梁保持压 杆稳定 的临界荷载为 ， 2 q 1 了 了’ 一， ， 式中 E为 1 2 工字钢的弹性 模量 G P a ； Z 。 为棚 腿 长度 m ； I m i 为最小 惯性距 m ； z 2 为棚梁 长度 m 。 取 E 2 0 0 G P a ， Z l 2 ． 4 m， I m i 1 ． 7 51 0 m ， Z 2 2 ． 1 m， 可得 q 1 6 5 0 k N ／ m。 由棚腿最大弯曲变形确定 的棚腿承受水平荷载为 3 8 4EI u ， 2、 吼 广， 式中 为沿截面中性轴惯性距 m ， “ 一为棚腿最大弯曲变形 m 。 取 “ 一 1 0 mm， L 8 6 7 ． 1 e m ， 可得 g 1 4 0 k N ／ m。 由梁截面最大应力不能超过容许值确定的棚腿承受水平荷载为 1 6 ／ , [ ] ／ q l 百’ 式中 h为梁高度 m ； [ o r ] 为容许应力 MP a 。 取 h1 2 0 m m， [ o r ] 2 3 5 MP a ， 可得 q 1 4 7 k N ／ m。 取 3种情况的最小值 ， 可得 q 4 0 k N ／ m。 2 ． 2棚腿垂直极限承载力分析 棚腿垂直极限承载力由梁截面最大容许应力以及棚腿保持压杆稳定 的临界荷载确定。据式 2 得 出的棚腿保持压杆稳定的临界荷载为 N 6 0 0 k N ， 据式 3 由棚梁容许弯曲变形量确定棚腿垂直极限 承载力 N 7 2 k N， 据式 4 由梁截面最大容许应力确定的棚腿垂直极 限承载力 N 。 6 5 k N。取 3种情 况的最小值， 可得棚腿垂直极限承载力 N 6 5 k N 。 3 棚腿底部垫板水平抗力系数和垂直抗力系数确定 棚腿底部垫块选用 C 3 0预制混凝土， 垫块 的几何形状如图 5， 将棚腿放在垫块之上并紧靠垫背 ， 根 据工程中常用的棚腿埋深， 取垫块高度 h 。 2 0 0 m m ， 为保证垫块不被压裂和剪切破坏 引， 取垫板厚度 。 1 0 0 m m， t 1 0 0 m m， 为合理确定棚腿底部垫块水平抗力系数和垂直抗力系数， 需合理确定垫块尺 寸 0和 b 。 ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ 们 加 0 加 2 0 2 广西大学学报 自然科学版 第 3 5卷 3 ． 1 棚腿底部围岩合理水平抗力系数的确定 棚腿受帮部侧压作用而内移， 同时底板岩石提供水平抗力 阻止棚腿内移 ， 水平抗力为 g o z ／Z a ， 5 式中q 。 为棚腿底部岩石水平抗力 N ／ m ； u 为棚腿水平位移 m ； a为棚腿底部垫板计算宽度 m ； 为水平抗力系数 N ／ m。 。 ．i} 沿埋深方 向产生改变 ， 可令 k ， 棚腿底部垫块埋 深为 h 。 ， 则棚腿底部垫块提供的水平合力为 r hl r h l 1 f g 。 d zf k z a d z m a h ， 6 0 0 二 由棚腿底部垫块提供合力和棚腿受帮部围岩水平均布荷载 合力相同， 可得 图 5 垫块几何形状及 尺寸 Fi g ． 5 Ge o me t r i c s h a p e a n d s i z e o f p a d 一 m f t， 7 “ ． ， 取 h 2 0 0 m m， 为充分发挥围岩 自承载力 ， 应达到两帮围岩极限位移 ， 两帮岩性为煤 ， 取 u 2 0 0 m m， q 应达到棚腿水平极限承载力 ， q 4 0 k N ／ m。 采用理论分析方法较难确定 m值 ， 本文通过工程估算 m值大小， 初选混凝土尺寸 a 3 0 0 m m， b 3 0 0 m m， 在棚腿和帮部围岩间安置压力枕测量棚腿受荷 ， 同时测量 围岩帮部位移 ， m值为 m 。 8 au 凡， 巷道大部分地段 ， 底板为煤， 测得 的围岩帮部表面位移和支架受荷 随时间的变化如 图 3 、 4所示， q 0 2 5 k N ／ m， M 2 5 0 m m， 据式 8 估得 m 2 ． 0 1 0 k N ／ m 。 由图3 、 4可见， 初选混凝土尺寸并不能保持两帮围岩稳定， 将 m代入式 7 ， 可得 a 6 0 0 m m。 3 ． 2 棚腿底部 围岩合理垂直抗力系数的确定 棚腿底部阻力 Ⅳ】 与棚腿端部沉降 “ 的关系为 Nl 】a bt 】 u ， 9 式中 k 为与棚腿底部约束程度有关的围岩垂直抗力系数 MP a ／ m ； t r y 为棚腿底部沉降量 m 。 合理 k l 值应使 u 值达到顶板最大允许下沉 ， 棚腿承受 的轴 向荷载 ／ v 达到极限承载力。通过工程实 测估算 值 ， 垫块尺寸初选为 ab 3 0 0 m m x 3 0 0 m m， 压力枕测量棚梁受荷， 同时测量棚腿下沉量 ， 典 型测量结果如图 6和图 7 。 根据巷道顶板表面变形和支架受荷 ， 估算得 k 1 ． 8 MP a ／ m， 图 6 、 7表明， 顶板不稳定 ， 极 限位移量 可达 1 6 0 m m， 但棚腿垂直承载力约 4 2 k N， 未达到极限承载力 6 5 k N， 必须调整垫块尺寸。取围岩表面 t ／ d 图 6 棚腿下沉量 随时 间的变化 F i g ． 6 Bo S o m d i s p l a c e me n t o f s h e l f l e g s wi t h t i me 0 5 0 ． 4 O ． 3 茎 柩0 ． 2 妲 O l 0 0 5 l O l 5 2 o 2 5 3 o 3 5 t l d 图 7 支架受荷随时间的变化 Fi g ． 7 S h e ff s u p p o r t f o r c e wi t h l i me 第 2期 吴德义等 深部开采梯形棚支护棚腿底部合理约束的确定 2 0 3 允许位移 M 1 0 0 mm， 棚腿垂直承载力 N。 6 5 k N， 口6 0 0 m m， t 。 1 0 0 mm， 计算得 b4 2 0 m m， 取 b 4 5 0 m m。围岩表面位移和围岩支护反力存在一定量化关系 m ， 必须合理确定棚距 ， 使棚腿受荷达 到极限承载力时提供于围岩的支护反力恰好使 围岩表面位移达到极限值 。针对本工程实际， 梯形棚距 可取为 5 0 0 m m。 4 应用效果 棚腿底部混凝土垫块尺寸为 0 6 0 0 m m， b 4 5 0 m m， h 1 2 0 0 mm， t 。 1 0 0 mm， t 2 1 0 0 mm， 围岩产 生适度位移， 但与以前相比有明显的减小并趋于稳定， 基本满足使用要求， 无需翻修。棚腿及棚梁受荷 明显增大但在允许范围内， 达到了预期 目的， 典型的围岩帮部表面位移随时间的变化如图 8所示 ， 帮部 支架受荷随时间变化如图 9所示 。 t| d 图 8 围岩 表面位移 随时间的变化 n昏 8 S u r f a c e d e f o r ma t i o n o f s u r r o u nd i n g r o c k 、 v i t l I t i m e 0．4 0．3 0．0 0． 1 t ／ d 图 9 支架受荷随时间的变化 孚 9 S h e l f s u p p o r t f o r c e、 v i t l l t i me 5 结语 ① 根据围岩二次蠕变速度衰减快慢可以判断围岩稳定性 ， 从而确定围岩表面位移容许值。新集三 矿 一 5 5 0 m水平运输巷煤和泥岩容许位移可取 2 0 0 m m， 泥质砂岩和砂质泥岩容许位移可取 1 0 0 m m。 ② 梯形棚棚腿垂直极限承载力由棚梁极限承载力和棚腿压杆稳定极限承载力确定， 新集三矿 一 5 5 0 m水平运输巷棚腿垂直极限承载力为 6 5 k N； 水平极限承载力由棚腿最大弯曲和最大容许应力确 定 ， 新集三矿 一 5 5 0 m水平运输巷水平极限承载力为 4 0 k N ／ m。 ③ 新集三矿 一 5 5 0 m水平运 输巷确定水平 抗力系数 m2 ． 01 0 k N ／ m ， 垂直抗力 系数为 k 。 1 ． 8 MP a ／ m， 为使 围岩表面变形达到临界值 的同时 ， 支架受荷达到极限承载力 ， 棚腿底板合理的尺寸应 为 0 6 0 0 mm， b 4 5 0 m m， h l 2 0 0 mm， t 】 1 0 0 m m， t 2 1 0 0 mm。 参考文献 [ 1 ] 王飞， 黄伟建， 黄伟力 ， 等 ．三软巷道梯形棚全强度支护法[ J ] ．矿山压力与顶板管理， 2 0 0 0 ， 1 6 2 5 0 - 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